反硝化除磷理論及工藝研究進展

張馨方

（沈陽建筑大學市政與環(huán)境工程學院，遼寧 沈陽 110168）

生活污水和工業(yè)廢水中的氮、磷大量進入水體后，藻類等水生生物大量繁殖，水生生物死亡后，被微生物分解，消耗大量的溶解氧，使水中溶解氧濃度大幅下降，水體富營養(yǎng)化嚴重。在此背景下，反硝化除磷工藝應運而生，為污水脫氮除磷提供了良好的支持。

1 反硝化除磷原理

聚磷菌有兩種，好氧聚磷菌和反硝化聚磷菌（DPAOs）。好氧聚磷菌以氧為電子受體，反硝化聚磷菌既能以氧為電子受體也能以硝酸鹽為電子受體。反硝化聚磷菌兼性厭氧，厭氧環(huán)境下，反硝化聚磷菌釋磷的同時產(chǎn)生ATP，并利用ATP 合成大量有機顆粒聚β 羥基丁酸（PHB）并貯存。缺氧環(huán)境下，反硝化聚磷菌以NO3-或NO2-為電子受體，氧化分解體內(nèi)貯存的PHB，使NO3-或NO2-被還原為N2排出系統(tǒng)，達到脫氮的效果。與此同時，反硝化聚磷菌超量吸磷合成聚磷酸鹽并貯存，富磷污泥則通過排放剩余污泥的形式排出，實現(xiàn)了同步脫氮除磷。

2 反硝化除磷工藝

反硝化除磷工藝將傳統(tǒng)的脫氮和除磷工藝結(jié)合，在節(jié)省了反硝化脫氮過程中對碳源的需求的同時降低曝氣所消耗的能源，還減少了富磷污泥排放量，是一種節(jié)能減排的污水處理工藝。自DPAOs 被發(fā)現(xiàn)以來，為了更好地利用其菌種在同步脫氮除磷方面的優(yōu)勢，關(guān)于滿足其反應條件的工藝研究就從未停止，海內(nèi)外大量專家對其進行了豐富的研究。

反硝化除磷工藝可分為兩類即單污泥系統(tǒng)和雙污泥系統(tǒng)[1]。單污泥系統(tǒng)中，反硝化聚磷菌和硝化菌存在于同一裝置中，一同經(jīng)過厭氧、缺氧、好氧三種環(huán)境，單污泥系統(tǒng)的代表性工藝有UCT、MUCT 和BCFS。雙污泥系統(tǒng)中，DPAOs 與硝化菌單獨存在，置于不同的反應裝置之中，主要代表工藝有A2N 和Dephanox。下面就對這幾個代表性工藝進行簡單的介紹。

2.1 UCT 工藝及MUCT 工藝

UCT 工藝、MUCT 工藝是南非開普頓大學以傳統(tǒng)A2/O 工藝為基礎的改良工藝，污泥回流至缺氧池，而非傳統(tǒng)A2/O 工藝的厭氧池，使回流污泥中的硝酸鹽對厭氧釋磷的影響降低，缺氧池與厭氧池之間還增加了一個內(nèi)部回流，混合液中BOD 值較高，為厭氧水解提供了良好的條件，除磷效果提高，其工藝流程如圖1和圖2 所示[2]。

圖2 MUCT 工藝流程圖

UCT 工藝及MUCT 工藝雖本不是基于反硝化除磷原理設計的，但工藝中厭氧、缺氧環(huán)境的反復交替，為反硝化聚磷菌的富集提供了有利條件。UCT 工藝及MUCT 工藝也有一定的局限性，裝置中反硝化聚磷菌、硝化細菌和反硝化異養(yǎng)菌共存，存在著競爭關(guān)系，或多或少影響了反硝化聚磷菌的功效。

2.2 BCFS 工藝

BCFS 工藝是由荷蘭Delft 科技大學實驗室在Pasveersloot 和UCT 工藝及原理的基礎上開發(fā)的，已在歐美多個污水處理廠應用，可以增強反硝化聚磷菌的富集條件和活性，脫氮除磷效果極佳。具體流程如圖3 所示。

圖3 BCFS 工藝流程圖

BCFS 工藝包括了5 個獨立的反應池和3 個內(nèi)循環(huán)。其優(yōu)點如下：厭氧池和缺氧池之間增加了內(nèi)循環(huán)，反硝化聚磷菌主要在厭氧池和缺氧池之間進行反應，避免了反硝化聚磷菌釋磷受到干擾，增設了接觸池，厭氧池出水和從沉淀池回流的污泥在接觸池充分混合，將剩余的COD 更加充分的利用；增設了混合池，形成了低氧環(huán)境，反硝化、硝化同時進行，保證出水氮含量低；增加了磷分離工藝，減少了化學藥劑的使用量。研究發(fā)現(xiàn)，BCFS 工藝的脫氮除磷效果顯著，可使出水中總氮質(zhì)量濃度小于5 mg/L，正磷酸鹽極低。

不過，BCFS 工藝也有一定的局限性：氧化溝單元體積較大，使得工藝占地面積大；反應池和回流池結(jié)構(gòu)較多，基礎設施成本較高[3]。

2.3 Dephanox 工藝

Wanner 等在1993 年率先雙污泥反硝化聚磷工藝，此后被Bortonc 等稱為Dephanox 工藝，此后，海內(nèi)外諸多學者如Kuba、彭永臻等對其進行了更深入的研究。其具體流程如圖4 所示。

圖4 Dephanox 工藝流程圖

污水首先流入?yún)捬醭兀c回流污泥充分混合，在厭氧環(huán)境中化除磷菌充分釋磷，貯存大量的PHB，之后流入中沉池進行沉淀，含有高濃度的NH4+-N 的上清液進入固定膜反應池，并在其中進行硝化作用，產(chǎn)生了NO3--N，富集大量反硝化聚磷菌的污泥則超越至缺氧池，反硝化聚磷菌以NO3--N 為電子受體進行同步脫氮除磷。接著混合液進入了好氧池，在好氧池中將殘留的物質(zhì)進一步氧化，最終在二沉池進行沉淀然后排放，還有一部分回流至厭氧池重復這一流程。Dephanox 工藝的創(chuàng)新點在于，厭氧池和缺氧池之間增加了固定膜反應池，這樣就解決了硝化細菌和反硝化聚磷菌的污泥齡矛盾，提高了反硝化除磷的效果。

Dephanox 工藝也有一定的局限性，在處理生活污水時，進水中氮磷比經(jīng)常不能滿足缺氧吸磷的要求，限制了該工藝的應用[4]?，F(xiàn)如今Dephanox 工藝被用于處理碳氮比較低的生活污水。

2.4 A2N 工藝

A2N 工藝中硝化細菌獨立于反硝化細菌，在不同的污泥系統(tǒng)中分別培養(yǎng)，解決了兩種菌種對基質(zhì)的競爭以及污泥齡的矛盾問題，其工藝流程圖如圖5 所示。

圖5 A2N 工藝流程圖

廢水首先流入?yún)捬醭爻浞轴屃?，反硝化聚磷菌將小分子脂肪酸吸收，合成PHB 并貯存。然后混合液在中沉池中進行沉淀，含有大量DPAOs 的污泥超越進入缺氧池，而含有大量NH3-N、PO43--P 的上清液進入到生物膜池，在其中進行硝化作用，接著流入缺氧池，與富集反硝化聚磷菌的污泥充分接觸，完成反硝化反應并過量吸磷。最后，在二沉池中進行沉淀，由于反硝化聚磷菌沒有經(jīng)過好氧池曝氣，所以幾乎細胞內(nèi)貯存的所有PHB 都用在了缺氧吸磷。

A2N 工藝的局限性有：進水氨氮中會有一部分直接超越進入缺氧池，還未經(jīng)過硝化反應，使得出水的氨氮濃度較高；反應流程長，基建費用高。